Introduction to HTS Flywheel Energy Storage
1. 儲能方式介紹
2. 飛輪儲能介紹
2.1 飛輪儲能軸承
從圖中可以看出，一個飛輪儲能系統大致分為以下幾個部分：
- 真空殼體
真空殼體是飛輪儲能裝置中的輔助系統。將高速旋轉的飛輪轉子至于真空狀態下，主要是為了減少飛輪轉子系統的風阻損耗。Acamley 等的研究結果表明:真空度過高會降低儲能系統內部的散熱能力，導致飛輪轉子的溫度升高。相比于高真空度的狀態,氦氣環境下更有利于減小風損。 - 飛輪轉子
早期的飛輪轉子多使用鋼或鋁合金材料,這類轉子具有重量大、轉速慢、儲能密度低等缺點。為了提高其性能，目前多以高性能連續纖維作為增強體，以樹脂材料作為基體，采用預應力纏繞技術與多環過盈配合相結合的工藝制造出重量輕、儲能密度大的復合材料飛輪轉子。法國Socomec 公司和美國 Beacon Power 公司生產的儲能系統均采用了復合材料飛輪轉子。 - 支撐系統
輪儲能系統的軸承支撐方式主要包括：機械軸承、被動磁軸承和主動磁軸承。當飛輪轉子在高速旋轉的時候，傳統的機械軸承會消耗較多的能量，為了提高整個儲能系統的效率，多采用磁軸承作為低能耗的支撐方式，但為了避免磁軸承失效對轉子系統造成的損傷，目前多選用機械輔助軸承配合磁軸承的支撐方案。 - 動/發一體機
動/發一體機是整個飛輪儲能系統的核心動力源。機械能與電能之間的轉換就是通過動/發一體機的相互轉換實現的。使用動/發一體機可以大大提高整個系統的空間使用率，降低儲能系統的總體重量。 - 電力轉換器
電力轉換器是儲能飛輪系統中能量轉換控制的關鍵部件，它具有調頻、恒壓、整流等功能。電力轉換器的應用提高了飛輪系統的靈活性和可控性。在充電過程中，電力轉換器采用恒轉矩控制和恒功率控制兩種變頻控制方式,將交流電轉換成直流電，驅動電機使飛輪加速旋轉。當飛輪達到最高轉速時，電力轉換裝置提供低壓以便維持飛輪轉速，降低轉子系統的自身能量損耗。
2.2 高溫超導軸承
早在 1945 年便有人提出了應用超導體實現磁懸浮軸承的設想，但直到 1987 年發現可工作在液氮溫區(77 K)的 YBCO 高溫超導體材料后，才使這一想法得以成為現實。高溫超導體材料獨具的磁通釘扎特性，使 SMB 在無任何外界控制的條件下就可以實現穩定的懸浮，向研究者展示出巨大的吸引力。
基于高溫超導體材料的磁通釘扎特性，SMB 展現出許多優點：
- 無源自穩定懸浮，無需額外控制環節。
- 轉速高，已實現 520 000 r/min 實驗速度。
- 損耗小，摩擦系數僅 10-7，比機械軸承(10?3)和常導(電磁)磁懸浮軸承(10^?4)的摩擦系數低幾個數量級。與現有的機械軸承和主動磁軸承相比，SMB 優越性主要體現在以上三點。
飛輪儲能軸承主要分為三大類：機械軸承，AMB主動磁軸承，SMB超導磁軸承。它們的比較如下：
表1：機械軸承、主動磁軸承和SMB性能比較
| 超導磁軸承 | 主動磁軸承 | 機械軸承
--------|------|-----|-----
摩擦系數 | 1e-7 | 1e-4 | 1e-3
磨損 | 無 | 無 | 有
控制系統 | 無 | 有 | 無
輔助部件 |低溫裝置|傳感器|無
速度極限| 無 | 無 | 有
承載能力| 低 | 高 | 高
剛度 | 低 | 高 | 高
那么這里的數量級到底是什么概念呢？
2.3 碳纖維飛輪
飛輪轉子材料性能比較
| 材料名稱 | 材料強度GPa | 材料密度kg/m3 | 儲能密度Wh/kg |
|---|---|---|---|
| 鋁合金 | 0.6 | 2800 | 36.1 |
| 高強度鋼 | 2.7 | 8000 | 56.8 |
| E玻璃纖維 | 3.5 | 2540 | 231.9 |
| S玻璃纖維 | 4.8 | 2520 | 320.6 |
| Kevlar纖維 | 3.8 | 1450 | 441.1 |
| 光譜纖維 | 3.0 | 970 | 520.6 |
| 碳纖維T700 | 7.0 | 1780 | 662.0 |
| 碳纖維T1000 | 10.0 | 1780 | 945.7 |
當時國內已經出現的較大的碳纖維企業包括：上海石化公司腈綸事業部、中復神鷹碳纖維有限公司、浙江巨鑫碳纖維有限公司、西安康本材料有限公司、沈陽中恒新材料有限公司、吉林市碳纖維高新技術產業化基地、哈爾濱天順化工科技開發有限公司、金發科技碳纖維、中國石油天然氣集團公司等。
2.4 電力電子部分
2.5 模塊化和集群設計
成本測算
特斯拉 Powerwall
10 kWh 1.3萬美元
10度電 3500美元
作為對照，Primus Power生產的250kW液流電池價格為500美元/kWh，Aquion的納離子電池價格大致相當。穆迪2015年1月的報告估計，“今天的電池投資成本接近500-600 美元/kWh?！?/p>
儲能主要分為兩種，能量型和功率型。能量型儲能容量大，反應速度慢，充放電次數受限。功率型響應速度快，容量小。
無論是超導磁儲能還是高溫超導飛輪儲能，最主要的優勢都在于放電功率大。自放電率比起化學儲能優勢不明顯，但也可以做到差不多，超導線圈和高溫超導軸承，GM制冷技術也比較成熟，國內T-800碳纖維線材，YBCO帶材都能量產。
最主要的問題就是價格上。特斯拉的Powerwall可以做到3500美金，10kWh的電池，一般化學電池500美金/kWh。SMES國內樣機能做到1MJ，美帝100MJ，日本2.4GJ。注意1kWh=3.6MJ，而1MJ的樣機無論是體積還是重量還是價格都高于Powerwall，其優勢只在于循環次數、放電深度和放電功率等。高溫超導飛輪儲能也是如此，其單位質量/體積能量甚至不如SMES，但是它的電力電子部分要簡單些，畢竟飛輪+電機，還不需要屏蔽強磁。HTS-FESS國內樣機1MJ，美帝波音10kWh。
給大家算臂章，2GJ=555度電，一度電5毛錢，功率型最大也就存280塊錢的電，然而這個造價至少幾百萬RMB。所以功率型儲能作為大規模儲能的成本還是太高。（不然咋叫功率型）
所以目前有的應用都是軍事領域和示范工程，大規模應用的話成本高了點。目前的出路在于多元復合儲能，錯配能量型和功率型儲能以達到能量管理和動態調節的平衡。
重新讀了遍題目，倍感驚恐，全篇跑題，重新作答如下：
技術性問題個人認為沒有，畢竟美帝日德都花錢砸出一條道了。
